宇宙輻射盾牌！星系團揭示地球宇宙粒子加速器的內部工作原理！

博科園：本文為天文學類

利用歐洲航天局星系團任務中前所未有的現場數據，科學家們揭示了地球抵禦宇宙輻射的盾牌（弓形激波）不斷變化的本質，揭示了這種粒子加速器如何在整個空間中傳輸和重新分配能量。這項新研究使用了星團任務中四艘飛船中的兩艘觀測數據。這四艘飛船以緊密的隊形穿過地球的弓形激波，相距僅7公里。這些數據收集於2015年1月24日，距離地球9萬公里，大約是到月球的四分之一，它們揭示了由於缺乏如此緊密的原位測量，以前不清楚的弓形激波的性質。當超音速流動遇到障礙物時，就會形成激波。這種現象在恆星、超新星殘骸、彗星和行星(包括我們自己的行星)周圍的宇宙中很常見。

博科園-科學科譜：眾所周知，衝擊波是一種非常有效的粒子加速器，它有可能創造出宇宙中最具能量的粒子。環繞地球的激波，被稱為弓形激波，是地球抵禦來自宇宙的粒子湧入的第一道防線，也是我們研究等離子體激波動力學最近的試驗台。它的存在是由於太陽風粒子的高速超音速，這就產生了一種類似於飛機衝破聲速屏障時所形成的衝擊波現象。2019年2月28日發表在《科學進展》(Science Advances)期刊上的這項新研究揭示了這種衝擊波將能量從一種類型轉移到另一種類型的機制。瑞典烏普薩拉瑞典空間物理研究所的首席作者Andrew Dimmock說：地球弓形激波是一個自然和理想的激波實驗室。

宇宙衝擊，圖片：ESA (Earth magnetosphere illustration); NASA, ESA/Hubble

多虧了Cluster這樣的任務，我們能夠在它內部和周圍放置多個航天器，覆蓋範圍從數百公里到只有幾公里。這意味著我們可以分辨出衝擊波在空間和時間上是如何變化的，這在描述這種類型衝擊波時是至關重要的。有幾種類型的衝擊，其定義是它們將動能轉化為其他類型的能量方式。在地球的大氣層中，當粒子相互碰撞時動能就會轉化為熱能——但是在我們星球弓形激波中所起的巨大作用意味著粒子碰撞不能在那裡的能量傳遞中起這樣的作用，因為它們之間的距離實在太遠了。這種類型的衝擊因此被稱為無碰撞衝擊。這種衝擊可以存在於從毫米到星系團大小的各種尺度上，並通過等離子體波、電場和磁場等過程來轉移能量。

地球弓形激波中的子結構，圖片：ESA; Data: A. Dimmock et al. (2019)

合著者、英國謝菲爾德大學的邁克爾?巴利欣說：除了無碰撞，地球的弓形激波也可以是非靜止的。在某種程度上，它的行為就像海里的波浪：當波浪接近海灘時，隨著深度減小，它的體積似乎會增大，直到破裂——這是因為波浪的波峰比波谷移動得快，導致它摺疊和破裂。這種『斷裂』也會發生在等離子體的波上，儘管物理學上要複雜一些。為了詳細研究這種波破裂的物理尺度（這在以前是未知的）研究人員發起了一場特別的運動，將四個簇狀探頭中的兩個移動到距離小於7公里的地方，從衝擊波內部收集高解析度數據。

地球弓形激波中的子結構，圖片：A. Dimmock et al. (2019)

分析數據後，研究小組發現，兩個星系團航天器所獲得的磁場測量值有很大差別。這一直接證據表明，在弓形激波的更廣泛範圍內存在著小規模的磁場結構，這表明它們在促進等離子體波的破裂，從而在磁層的這部分能量轉移方面起著關鍵作用。這些結構的大小只有幾公里，類似於電子繞著磁場線旋轉的尺度，它們位於激波中一個特別薄且可變的區域，在這個區域中，組成等離子體和周圍場的性質可以發生最劇烈變化。歐洲航天局星團任務的項目科學家，該研究的合著者菲利普?埃斯庫貝特說：弓形激波的這部分被稱為激波斜坡，可以薄到幾公里——這一發現也是基於幾年前的星團數據。

Cluster公司於2000年發射的4艘宇宙飛船編隊繞地球飛行，使其成為首個能夠在三維空間研究地球磁場環境內部和附近發生的物理過程的太空任務。這種研究確實顯示了集群作為一種使命的重要性，通過實現令人難以置信的小型航天器分離——本研究中使用的距離為7公里，甚至更小，只有3公里——星系團使我們能夠以有史以來最小的規模探測地球的磁場環境。這提高了我們對地球弓形激波及其作為一個巨大粒子加速器的作用的理解——這是我們了解高能宇宙的關鍵。

博科園-科學科普｜研究/來自: ESA

參考期刊文獻:《Science Advances》

DOI: 10.1126/sciadv.aau9926

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